추상적인:우리는 손실이 0.28dB/cm이고 링 공진기 품질 계수가 110만인 1550nm 절연체 기반 탄탈산 리튬 도파관을 개발했습니다. 비선형 포토닉스에서 χ(3) 비선형성의 적용이 연구되었습니다. "절연체-온" 구조로 인한 강력한 광학적 감금과 함께 우수한 χ(2) 및 χ(3) 비선형 특성을 나타내는 절연체 위 니오브산리튬(LNoI)의 장점은 초고속을 위한 도파관 기술의 상당한 발전을 가져왔습니다. 변조기 및 통합 비선형 포토닉스 [1-3]. LN 외에도 탄탈산리튬(LT)도 비선형 광자 물질로 연구되었습니다. LN에 비해 LT는 굴절률 및 비선형 계수와 같은 광학 매개변수가 LN과 유사하지만 광학 손상 임계값이 더 높고 광학 투명도 창이 더 넓습니다[4, 5]. 따라서 LToI는 고출력 비선형 광자 응용 분야를 위한 또 다른 강력한 후보 재료로 두각을 나타냅니다. 또한 LToI는 고속 모바일 및 무선 기술에 적용할 수 있는 표면탄성파(SAW) 필터 장치의 주요 소재로 자리잡고 있습니다. 이러한 맥락에서 LToI 웨이퍼는 광자 응용 분야에서 보다 일반적인 재료가 될 수 있습니다. 그러나 현재까지 마이크로디스크 공진기[8] 및 전기광학 위상 시프터[9]와 같은 LToI 기반의 광소자 중 소수만이 보고되었습니다. 본 논문에서는 저손실 LToI 도파관과 링 공진기에서의 적용을 제시합니다. 또한 LToI 도파관의 χ(3) 비선형 특성을 제공합니다.
핵심 포인트:
• 국내 기술과 성숙한 공정을 활용하여 100 nm ~ 1500 nm 범위의 최상층 두께를 갖춘 4인치 ~ 6인치 LToI 웨이퍼, 박막 리튬 탄탈레이트 웨이퍼를 제공합니다.
• SINOI: 초저손실 실리콘 질화물 박막 웨이퍼.
• SICOI: 탄화규소 광자 집적 회로용 고순도 반절연 탄화규소 박막 기판.
• LTOI: 니오브산리튬, 박막 탄탈산리튬 웨이퍼의 강력한 경쟁자입니다.
• LNOI: 8인치 LNOI로 대형 박막형 리튬니오베이트 제품 양산을 지원한다.
절연체 도파관 제조:본 연구에서는 4인치 LToI 웨이퍼를 활용하였다. 상단 LT 레이어는 SAW 장치용 상용 42° 회전 Y-cut LT 기판으로, 스마트 절단 공정을 사용하여 3μm 두께의 열 산화층이 있는 Si 기판에 직접 접착됩니다. 그림 1(a)는 상단 LT 층 두께가 200nm인 LToI 웨이퍼의 평면도를 보여줍니다. 우리는 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 상부 LT 층의 표면 거칠기를 평가했습니다.
그림 1.(a) LToI 웨이퍼의 평면도, (b) 상단 LT 레이어 표면의 AFM 이미지, (c) 상단 LT 레이어 표면의 PFM 이미지, (d) LToI 도파관의 도식적 단면, (e) 계산된 기본 TE 모드 프로파일, (f) SiO2 오버레이 증착 전 LToI 도파관 코어의 SEM 이미지. 그림 1의 (b)에 나타난 바와 같이, 표면거칠기는 1 nm 미만으로 스크래치 라인은 관찰되지 않았다. 또한 그림 1(c)에 표시된 대로 압전 반응력 현미경(PFM)을 사용하여 상단 LT 층의 분극 상태를 검사했습니다. 접합 공정 이후에도 균일한 분극이 유지되는 것을 확인했습니다.
이 LToI 기판을 사용하여 다음과 같이 도파관을 제작했습니다. 먼저, LT의 후속 건식 에칭을 위해 금속 마스크 층을 증착했습니다. 그런 다음, 전자빔(EB) 리소그래피를 수행하여 금속 마스크 층 상부에 도파관 코어 패턴을 정의했습니다. 다음으로 건식 에칭을 통해 EB 레지스트 패턴을 금속 마스크 층으로 전사했습니다. 그 후, 전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마 에칭을 사용하여 LToI 도파관 코어를 형성했습니다. 마지막으로, 습식 공정을 통해 금속 마스크 층을 제거하고 플라즈마 강화 화학 기상 증착을 사용하여 SiO2 오버레이를 증착했습니다. 그림 1 (d)는 LToI 도파관의 개략적인 단면을 보여줍니다. 총 코어 높이, 플레이트 높이 및 코어 폭은 각각 200 nm, 100 nm 및 1000 nm입니다. 광섬유 결합을 위해 코어 폭이 도파관 가장자리에서 3μm로 확장됩니다.
그림 1 (e)는 1550 nm에서 기본 횡 전기(TE) 모드의 계산된 광 강도 분포를 표시합니다. 그림 1(f)는 SiO2 오버레이 증착 전 LToI 도파관 코어의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 보여줍니다.
도파관 특성:먼저 1550nm 파장 증폭 자연 방출원의 TE 편광을 다양한 길이의 LToI 도파관에 입력하여 선형 손실 특성을 평가했습니다. 전파 손실은 각 파장에서 도파관 길이와 전송 사이의 관계의 기울기로부터 구해졌습니다. 측정된 전파 손실은 그림 2(a)에 표시된 대로 1530, 1550 및 1570 nm에서 각각 0.32, 0.28 및 0.26 dB/cm입니다. 제작된 LToI 도파관은 최첨단 LNoI 도파관에 필적하는 저손실 성능을 나타냈습니다[10].
다음으로, 4파장 혼합 과정에 의해 생성된 파장 변환을 통해 χ(3) 비선형성을 평가했습니다. 1550.0nm의 연속파 펌프 광과 1550.6nm의 신호광을 12mm 길이의 도파관에 입력했습니다. 그림 2(b)에서 볼 수 있듯이 입력 전력이 증가함에 따라 위상-공액(아이들러) 광파 신호 강도가 증가했습니다. 그림 2(b)의 삽입 그림은 4파 혼합의 일반적인 출력 스펙트럼을 보여줍니다. 입력 전력과 변환 효율 사이의 관계로부터 비선형 매개변수(γ)가 약 11W^-1m인 것으로 추정했습니다.
그림 3.(a) 제작된 링 공진기의 현미경 이미지. (b) 다양한 갭 매개변수를 갖는 링 공진기의 전송 스펙트럼. (c) 1000nm 간격의 링 공진기의 측정 및 Lorentzian 장착 전송 스펙트럼.
다음으로 LToI 링 공진기를 제작하고 그 특성을 평가했습니다. 그림 3 (a)는 제작된 링 공진기의 광학현미경 이미지를 보여준다. 링 공진기는 반경 100μm의 곡선 영역과 길이 100μm의 직선 영역으로 구성된 "레이스트랙" 구성을 특징으로 합니다. 링과 버스 도파관 코어 사이의 간격 폭은 200nm 단위로, 특히 800, 1000 및 1200nm에서 다양합니다. 그림 3 (b)는 각 간격에 대한 투과 스펙트럼을 표시하며, 이는 간격 크기에 따라 소광비가 변경됨을 나타냅니다. 이러한 스펙트럼으로부터 우리는 1000nm 간격이 -26dB의 가장 높은 소광비를 나타내기 때문에 거의 중요한 결합 조건을 제공한다는 것을 확인했습니다.
임계 결합 공진기를 사용하여 선형 전송 스펙트럼을 Lorentzian 곡선에 맞춰 품질 인자(Q 인자)를 추정했으며 그림 3(c)와 같이 내부 Q 인자 110만을 얻었습니다. 우리가 아는 한, 이는 도파관 결합 LToI 링 공진기의 첫 번째 시연입니다. 특히, 우리가 달성한 Q 인자 값은 광섬유 결합 LToI 마이크로디스크 공진기의 Q 인자 값보다 상당히 높습니다[9].
결론:우리는 1550nm에서 손실이 0.28dB/cm이고 링 공진기 Q 인자가 110만인 LToI 도파관을 개발했습니다. 얻은 성능은 최첨단 저손실 LNoI 도파관의 성능과 비슷합니다. 또한 온칩 비선형 애플리케이션을 위해 제조된 LToI 도파관의 χ(3) 비선형성을 조사했습니다.
게시 시간: 2024년 11월 20일